Abhatoo - Centre Nationale de Documentation

La conception des bâtiments à faible consommation d'énergie est devenue un enjeu très important à travers le monde afin de minimiser la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre associés. Au Maroc, le secteur bâtiment représente 25 % de la consommation énergétique finale du pays avec 18% réservée au résidentiel et 7% pour le tertiaire (ADEREE 2011). L'intégration de systèmes passifs ou semi-passifs de rafraîchissement/chauffage dans le bâtiment est désormais indispensable pour la réduction de la consommation énergétique tout en améliorant le confort thermique. Un de ces systèmes est l’échangeur air-sol (EAHX), communément appelé "puits canadien". Il est constitué de tubes enfouis à une profondeur de 2 à 3 m dans lesquels est poussé l'air ambiant afin d'être rafraichit/chauffé au contact avec le sol dont la température est quasi-constante durant toute l'année. Cette température, fortement dépendante des conditions météorologiques, est d'environ 20°C à Marrakech. L'air ainsi rafraichit/chauffé est soufflé dans le bâtiment. Le principe du rafraichissement à l'aide de l’échangeur air-sol est bien établi, mais le comportement d'un tel système dépend des conditions climatiques et de la nature du sol, qui influence énormément le choix des paramètres de dimensionnement de ce système. Le comportement thermique dynamique d'un échangeur air-sol n'est donc pas universel et doit être étudié dans le cadre du climat, du sol et des conditions de charge du bâtiment.
L’échangeur air-sol étudié est installé dans une maison type villa située dans la banlieue de Marrakech. Il est constitué de 3 tubes en PVC de 72m de longueur chacun enterrés à une profondeur de 2,2 à 3,2m sous le jardin de la maison. Chacun des tubes est muni, à son entrée, d’un ventilateur poussant l’air à travers le tube pour le rafraichir avant de le souffler dans la maison. Un monitoring de ce système a été réalisé durant l’Été 2013 à travers un suivi des températures et humidités durant 39 jours. Des dataloggers ont ainsi été installés à l’intérieur d’un des trois tubes. De plus, les données météorologiques ont été mesurées sur site. Les résultats montrent que l’échangeur air-sol est un système adapté pour le rafraichissement de l’air dans les bâtiments à Marrakech, puisqu’il procure une température de soufflage quasi-constante d’environ à de 22°C pour le débit 244 m³/h et 25°C pour le débit de 312m³/h, avec une humidité relative autour de 50 % alors que la température extérieure dépasse 40°C.
Le modèle mathématique choisi et l’outil de simulation associé, Type 460 opérant sous le logiciel commercial TRNSYS, sont analysés et validés par confrontation avec les résultats expérimentaux. Cette confrontation a montré une excellente concordance, avec un écart absolu moyen entre la mesure et la simulation toujours inférieur à 0,5°C et décroit à 0,2°C à la sortie de tube enterré. De plus l’amortissement des amplitudes journalières et annuelles de température de l'air se caractérise par une régression exponentielle en fonction de la longueur de tube. La longueur caractéristique varie entre 20 m et 70 m respectivement, pour l’amortissement des amplitudes journalière et annuelle de la température de l'air. La validation de l’outil de simulation avec un échangeur air-sol enterré dans un sol soumis à conditions météorologiques extérieures n’a pas été réalisée auparavant.
D'autre part, les simulations dynamiques du l’échangeur air-sol en utilisant le logiciel TRNSYS (TYPE 460) sont réalisées en fonctionnement continu, avec 1 et 3 tubes durant la période chaude de l’année (Mai-Septembre). Les résultats montrent que le système procure une réduction de température de l’ordre de 19,5°C et 18,3°C pour un fonctionnement avec 1 tube et 3 tubes respectivement, avec une température à la sortie de tube enterré de 25,1°C (1 tube) et 26 C° (3 tubes). Il en résulte une capacité de refroidissement de 58w/m² (1 tube) et 55w/m² (3 tubes) pour une température à l’entrée de 44,6°C.
Une étude de sensibilité, utilisant la méthode de Sobol, de la performance thermique de l'échangeur durant la saison chaude a permis de dégager les paramètres les plus influents sur un fonctionnement saisonnier (Mai-Septembre) de l’échangeur. Cette étude a été réalisée avec un couplage entre le langage de programmation Python doté d’un module d’analyse de sensibilité et le TYPE 460. Par la suite, une étude paramétrique complète sur l’énergie sensible totale perdue par l’air lors dans son passage dans l’échangeur air-sol est réalisée en fonction des paramètres les plus influents déterminés auparavant.